Реферат: Солнечные пятна, динамика и механизм их образования, способы их учета в экологии и астрофизике

Министерствообразования Российской Федерации

Санкт-Петербургский

государственныйэлектротехнический университет “ЛЭТИ”

реферат на тему

“Солнечные пятна, динамика и механизмих образования, способы их учета в экологии и астрофизике.”

Работу выполнил

студент группы 0221

Голиков А.Н.

Преподаватель:

Бойцов А.А.

Санкт-Петербург

2002

Оглавление:

1.Введение. 3

2.Общие сведения о солнце. 3

2.1 Вид Солнца в телескоп. 3

2.2 Вращение Солнца 4

2.3 Характеристики Солнца 4

2.4 Строение Солнца 4

3.Солнечные пятна. 6

3.1 Наблюдения. 6

3.2 Механизмобразования. 8

3.3 Воздействие на биосферу 9

3.4 Способы учета в экологии и астрофизике. 11

4.Заключение. 12

5.Литература. 13

1. Введение.

Солнце играет исключительную роль вжизни Земли. Весь органический мир нашей планеты обязан Солнцу своимсуществованием. Солнце — не только источник света и тепла, но и первоначальныйисточник многих других видов энергии (энергии нефти, угля, воды, ветра).

О том, что наСолнце бывают пятна, люди узнали уже очень давно. В древних русских и китайскихлетописях, а также в хрониках других народов не редко встречались упоминания онаблюдениях пятен на Солнце. В русских летописях отмечалось, что пятна были видны«Аки гвозди». Записи помогли подтвердить установленную уже позже (в1841 году) закономерность периодического увеличения числа солнечных пятен.Чтобы заметить такой объект простым глазом (при соблюдении, конечно, мерпредосторожности — сквозь густо закопченное стекло или засвеченную негативнуюфотопленку), необходимо, чтобы его размер на Солнце был не менее 50 — 100 тысячкилометров, что в десятки раз превышает радиус Земли.[2]

Что мы знаем оСолнце и периодически возникающих на нем явлениях, солнечных пятнах? Кажется немало, но по-прежнему нет точных ответов на следующие вопросы:

?    Каковапричина и способ периодического возникновения солнечных пятен?

?    Чтоявляется спусковым механизмом их образования?

?    Каки посредством чего пятна влияют на земную жизнь?

?    Чтоявляется источником всех периодических процессов проходящих на Солнце?

?    Заключенли он вне Солнца или в нем самом?

На данный моментнет даже единой гипотезы, которая смогла бы пролить свет на темный ликсолнечных пятен. Здесь можно лишь описать загадку, как она представляетсясегодня.  [2]

2. Общие сведенияо солнце.2.1Вид Солнца в телескоп.

 Наблюдения Солнцатребуют большой осторожности. Нельзя смотреть на Солнце, не защитив глаза оченьплотным (тёмным) светофильтром! Но даже со светофильтром не рекомендуетсясмотреть на Солнце в школьный телескоп. Лучше установить на окулярном концетелескопа экран с листом белой бумаги и рассматривать изображение Солнца наэкране. Это позволит увидеть на Солнце тёмные пятна (Солнечные пятна) и светлыеучастки (факелы), которые заметнее вокруг пятен вблизи края Солнечного диска.На современных обсерваториях для наблюдения Солнца применяют телескопыспециальных конструкций – солнечные телескопы. Таким телескопам оснащена,например, Крымская Астрофизическая Обсерватория. Посредством именно такихтелескопов и было сделано большиство наблюдений. [1]

 2.2Вращение Солнца

 Если сравнитьнесколько последовательных фотографий Солнца, то можно заметить, как меняетсяположение всех пятен на диске. Это происходит из-за вращения Солнца. Солнцевращается не как твёрдое тело. Пятна, находящиеся в близи экватора Солнца,опережают пятна, расположенные в средних широтах. Следовательно, скоростивращения разных слоёв Солнца различны. Экваториальные области делают одиноборот вокруг оси Солнца за 25 земных суток, а области вблизи полюсов Солнца –примерно за 30 суток. Линейная скорость вращения на экваторе Солнца составляет2 км./с. Наблюденияпоказывают, что все пятна перемещаются от Восточного края к Западному.Следовательно, Солнце вращается вокруг своей оси в направлении движения планетвокруг него.[1]

2.3Характеристики Солнца

·    МассаMS~2*1023кг,

·    RS~629 тыс км,

·    V=1,41.1027 м3, что почти в 1300 тыс. раз превосходит объем Земли,

·    средняяплотность 1,41*103 кг/м,

·    светимостьLS=3,86*1023 кВт,

·    эффективнаятемпература поверхности (фотосфера) 5780 К,

·    периодвращения (синодический) изменяется от 27 сут на экваторе до 32 сут у полюсов,

·    ускорениесвободного падения 274 м/с2. [1]

 

2.4Строение Солнца

Химический состав был определен изанализа солнечного спектра. Оказалось, что на Солнце больше всего водорода, азатем гелия. Другие химических элементов (кислород, кальций, железо, магний,натрий и др.) составляют очень малую долю по сравнению с водородом. Никакиххимических элементов, помимо тех, которые имеются на Земле не обнаружено.Вследствие ядерной реакции превнащения водорода в гелий выделяется теплота.[1]

Под тяжестью внешних слоев плотностьСолнца увеличивается к центру вместе с ростом давления и температуры. (см.рис.1)Температура ядра достигает 15 млн. кельвинов. Ядро имеет радиус не болеечетверти общего радиуса Солнца, однако в его объеме сосредоточена половинасолнечной массы и выделяется практически вся энергия, которая поддерживаетсвечение Солнца.

/>

Рис.1

Строение солнца.

Через зону лучистойпередачи (лучистый перенос) и конвективную  зону (конвекция) идет передачаэнергии. (Теплопроводность не играет большой роли в энергетических процессах наСолнце и звездах)

Атмосфера Солнцаначинается на 200-300 тыс. км.  глубже видимого края солнечного диска называют фотосферой.Поскольку их толщина составляет не более одной трехтысячной доли солнечногорадиуса, фотосферу иногда условно называют поверхностью Солнца.

Хромосфера весьманеоднородна и состоит в основном из продолговатых вытянутых язычков (спикул),придающих ей вид горящей травы. Температура этих хромосферных струй в два-трираза выше, чем в фотосфере, а плотность в сотни тысяч раз меньше. Общаяпротяженность хромосферы 10-15 тыс. километров.

Крона — самаявнешняя часть атмосферы Солнца. В отличие от фотосферы и хромосферы она обладаетогромной протяженностью: она простирается на миллионы километров, чтосоответствует нескольким солнечным радиусам, а ее слабое продолжение уходит ещедальше. Главнымобразом коронасостоит из частичекэлектричества – электронов, выделяющихся из нижележащих слоев. Все они быстродвижутся в разных направлениях, но преимущественно в сторону от Солнца.Скорость их так же велика, как у газа при температуре до миллиона градусов.

Фактически мы живемокруженные солнечной короной, хотя и защищенные от ее проникающей радиациинадежным барьером в виде земного магнитного поля. Через корону солнечнаяактивность влияет на многие процессы, происходящие на Земле.

3. Солнечные пятна.3.1Наблюдения.

На данный моментнет даже единой гипотезы, которая смогла бы пролить свет на темный ликсолнечных пятен. Здесь можно лишь описать загадку, как она представляетсясегодня. Начнем с того, что уже точно известно за счет наблюдений.

Пятна практическине образуются на полюсах и на экваторе Солнца. Две узкие полосы в пределах от25 — 30 и до 8 — 12 градусов северной и южной широты — вот места наиболееинтенсивного образования пятен. Причем, пики их образования повторяются спериодичностью от 7 до 17 лет. Этот цикл, составляющий в среднем 12 лет, четкопрослеживается в широтности образования пятен. Когда исчезают последние пятнана нижних широтах (8 — 12 градусов), начинают образовываться пятна на верхнихширотах (25 — 30 градусов). Новые пятна станут образовываться уже ниже этогоуровня, то есть они будут как бы сползать к нижним широтам. К концу циклаобласть образования пятен вновь окажется в пределах от 8 до 12 градусовсеверной и южной широты. Начало цикла пятнообразования и минимум солнечнойактивности совпадают.

Пятна, как правило,образуются группами или хотя бы парами. Пара пятен на одной широте находится влюбопытной взаимосвязи. Прежде чем в фотосфере (видимом слое Солнца) образуетсяпятно, на месте его возникновения регистрируется очень мощное магнитное поле. Последнееможет быть только замкнутым, оно то и связывает пару пятен. Обычно, силовыелинии магнитного поля направлены из северного полюса объекта (будь то планетаили Солнце) к южному, но здесь все не так просто. Направления силовых линиймагнитных полей обратны для пар пятен северного и южного полушарий. Более того,магнитная полярность пятен, меняется на противоположную после каждого12-летнего цикла, что позволяет говорить не о 11-летнем, а о 22-х летнемсолнечном цикле пятнообразования. Магнитные поля пятен интенсивней магнитногополя Солнца в целом и к тому же они перпендикулярны ему. Все сказанное хорошовидно на рис. 2.[1]

/>  

Рис. 2

Изменение среднегодовых чисел солнечных пятен R и приближенных средних широт солнечных пятен (закон Шперера) за 1933 — 1953 гг.

Буквами в кружках обозначены полярности пар солнечных пятен (закон полярности солнечных пятен.)

Солнце, какизвестно, вращается вокруг своей оси с периодичностью примерно 27 суток, из-зачего пара пятен наблюдается с некоторым периодом исчезая на западном краюСолнца и появляясь вновь на восточном менее чем через 2 недели. Первое в этомдвижении пятно является головным. Установлено, что в паре пятен оно возникаетпервым и исчезает последним.

Солнечное пятноможет существовать от нескольких часов до нескольких месяцев. Размер пятентакже широко варьируется от «пор» — зародышей пятен, до гигантскихплощадей в которые можно уложить по 100 земных глобусов. Появляясь из пор,группа пятен проходит стадию роста, в ходе которой они увеличиваются и расходятся,расползаются в разные стороны. Затем следует более продолжительная по временистадия рассасывания пятен. Последним исчезает головное, по ходу вращенияСолнца, пятно. После исчезновения пятна, мощное магнитное поле на его местесохраняется еще в течении некоторого времени.

Для характеристикиактивности Солнца используют числа Вольфа, учитывающие количество одиночныхпятен и групп пятен на Солнце.[5]

Само пятно по формеявляется воронкой на видимой поверхности Солнца (эффект возникает из-за прозрачностиатмосферы в этом месте). Их глубину определяют в 1000 — 1500 км. Температурасолнечного вещества в районе центра пятна наиболее низкая в сравнении с общейтемпературой поверхности — 5800 К., на 1000 — 1500 К. Поэтому центр пятнанаблюдается как более темное образование, чем его края. В пятне различают тень- его центр, и полутень, которая больше в радиусе в 2 раза и более (онасветлее, см. рис.3). Края пятна окружены светлыми волокнистыми образованиями — фотосферными факелами. Температура в них выше (на 2000 К.) чем в окружающемвеществе, поэтому они выделяются по яркости свечения. Факелы продолжаются вверхчерез фотосферу в хромосферу, где образуют «факельные площадки»,которые расширяются с ростом высоты. В фотосфере поперечник факельной площадкиможет составлять 700 км, а уже на границе хромосферы и короны — 15000 км.Факельные площадки появляются, растут и рассасываются согласно с ритмомсолнечных пятен, но они могут существовать и без них. Сами по себе факелы живутдольше пятен — до 3-х, 4-х месяцев. Предполагается, что причиной их образованияслужат менее мощные, чем у пятна магнитные поля.

/>

/>

рис.3. Солнечное пятно (слева) и эффектный снимок поверхности Солнца (справа).[3]

3.2Механизмобразования.

Солнцепредставляет собой огромный бурлящий котел плазмы, причем внутри оно горячее, аснаружи – холоднее. Из-за этого перепада температур возникают конвекционныепотоки: остывшие массы идут вглубь, а на их место поднимаются более горячие.Этому процессу мешает сильное магнитное поле Солнца. Оказывается, что магнитныевихри могут локально приостановить конвекцию, не дать остывшим массамопуститься. В результате этаобласть на солнечной поверхности будет холоднее окружающих – и поэтому будетвыглядеть темнее. Это и есть темное пятно. [5]

Конвективныепроцессы продолжают идти на глубине, однако более горячий газ не можетпрорваться на поверхность сквозь более холодные области, и вынужден их огибать.[6]

Солнечное магнитноеполе имеет очень сложную структуру и непрерывно меняется. Совместные действияциркуляции солнечной плазмы в конвективной зоне и дифференциального вращенияСолнца постоянно возбуждает процесс усиления слабых магнитных полей ивозникновения новых. Видимо это обстоятельство и является причинойвозникновения на Солнце пятен. Пятна то появляются, то исчезают. Их количествои размеры меняются. Но, примерно, каждые 11 лет число пятен становитсянаибольшим. Тогда говорят, что Солнце активно. С таким же периодом (~ 11 лет)происходит и переполюсовка магнитного поля Солнца. Естественно предположить,что эти явления связанны между собой.[1]

Развитие активнойобласти начинается с усиления магнитного поля в фотосфере, что приводит кпоявлению более ярких участков — факелов (температура фотосферы Солнца всреднем 6000К, в области факелов примерно на 300К выше). Дальнейшее усилениемагнитного поля приводит к появлению пятен. [1]

В начале 11-летнегоцикла пятна в небольшом количестве начинают появляться на сравнительно высокихширотах (35 — 40 градусов), а за тем постепенно зона пятнообразования спускаетсяк экватору, до широты плюс 10 — минус 10 градусов, но на самом экваторе пятен,как правило, не бывает.[1]

Галилео Галилейодним из первых заметил, что пятна наблюдаются не всюду на Солнце, а, главнымобразом, на средних широтах, в пределах так называемых «королевскихзон».

Сначала обычнопоявляются одиночные пятна, но затем из них возникает целая группа, в которойвыделят два больших пятна — одно — на западном, другое — на восточном краюгруппы. В начале нашего века выяснилось, что полярности восточных и западныхпятен всегда противоположны. Они образуют как бы два полюса одного магнита, апотому такую группу называют биполярной. Типичное солнечное пятно имеет размерынесколько десятков тысяч километров.[1]

Галилей,зарисовывая пятна, отмечал вокруг некоторых из них серую каемку.

Действительно,пятно состоит из центральной, более темной части — тени и более светлой области- полутени.[1]

Солнечные пятна иногда бывают видны на его диске даже невооруженным глазом. Кажущаяся чернотаэтих образований вызвана тем, что их температура примерно на 1500 градусов нижетемпературы окружающей их фотосферы (и соответственно непрерывное излучение отних гораздо меньше). Одиночное развитое пятно состоит из темного овала — такназываемой тени пятна, окруженного более светлой волокнистой полутенью.Неразвитые мелкие пятна без полутени называют порами. Зачастую пятна ипоры образуют сложные группы. [1]

 Типичная группапятен изначально возникает в виде одной или нескольких пор в областиневозмущенной фотосферы. Большинство таких групп обычно исчезают через 1-2суток. Но некоторые последовательно растут и развиваются, образовываядостаточно сложные структуры. Солнечные пятна могут быть больше в диаметре, чемЗемля. Они часто объединяются в группы. Они формируются  за несколько дней иобычно исчезают за неделю. Некоторые большие пятна, хотя, могут сохраняться втечение месяца. Большие группы солнечных пятен более активны, чем маленькиегруппы или отдельные пятна.[1]

 

Наиболее вероятнойгипотезой периодического повторения солнечной активности считают возмущения отпланет гигантов, которое смещает центр тяжести Солнечной системы. Но это далеконе единственная гипотеза. Наряду с 12-летним циклом солнечной активностивыделяют еще вековой цикл его нарастания и убывания. По разным данным он можетварьироваться. Есть данные в пользу 60-летнего и 86-летнего цикла.[2]

3.3Воздействие на биосферу

В активной областиСолнца наблюдаются «солнечные вспышки» — мощные ядерные взрывы — непременный атрибут повышенной солнечной активности. Они длятся всего несколькоминут (а то и секунд), но производят весьма сильный эффект. В межпланетноепространство выбрасывается огромное число заряженных частиц или ионов, которыепопадая в атмосферу Земли вызывают усиление северного сияния, магнитные бури идругие, более продолжительные эффекты. В момент вспышки происходит возрастаниесолнечного излучения почти во всех диапазонах, от рентгеновского докилометровых радиоволн. А. Л. Чижевский был одним из первых, кто усмотрел вионизированных солнечных частицах реальный механизм воздействия на биосферуЗемли.Засвои исследования воздействия ионов на все живое он получил титул отцакосмобиологии, как основатель науки изучающей реальные механизмы воздействиякосмических излучений на живые организмы, человека и общество.

Хотя еще до него Р.Вольф установил, что, например, существует взаимосвязь между свечениематмосферы в высоких широтах и вспышками на Солнце. До и после Вольфа былинайдены и другие взаимосвязи. 1844, Гаутьер — существует взаимосвязь между температуройвоздуха у земной поверхности и числом пятен на Солнце. 1858, Малпе — связьпятен с землетрясениями. 1872, Мелдрун — частота бурь, ураганов и смерчей, атакже количество осадков пропорциональны числу солнечных пятен. 1887, Зенгер — частота гроз и число пятен. Другие статистические исследования установили связьчисла пятен и количества добываемого вина, толщины годовых колец у деревьев,величиной улова рыбы, размножаемостью и миграцией насекомых, количествомкатастроф и преждевременных смертей. (см рис. 4, 5 и 6)[2]

/>

Рис 4. Изменение солнечной активностиначиная с 1740 г (в числах Вольфа).[4]

/>

Рис 5. Среднее значение солнечной активности за последние 2000 лет.Удивительно, как точно график соответствует напряженности исторической жизни. Закат античного мира к 600-700 гг. н. э. и становление новых народов европы, затем «темные века» средневековья и эпоха Возрождения. [4]

/>

Рис6. Статистика чисел Вольфа, магнитных бурь, урожайности и эпидемий по годам.

 3.4Способы учета в экологии и астрофизике.

Поворачиваясь кСолнцу то одним, то другим своим полушарием, Земля получает энергию. Этот потокможно представить в виде бегущей волны: там, где падает свет — ее гребень, гдетемно — провал. Иными словами, энергия то прибывает, то убывает. Об этом всвоем знаменитом естественном законе говорил еще Михаил Ломоносов. [1]

Теория оволнообразном характере поступления энергии на Землю побудила основоположникагелиобиологии Александра Чижевского обратить внимание на связь междуувеличением солнечной активности и земными катаклизмами. Первое наблюдение,сделанное ученым, датируется июнем 1915 года. На Севере блистали полярныесияния, наблюдавшиеся как в России, так и в Северной Америке, а «магнитныебури непрерывно нарушали движение телеграмм». Как раз в этот период ученыйобращает внимание на то, что повышенная солнечная активность совпадает скровопролитием на Земле. И действительно, сразу после появления больших пятенна Солнце на многих фронтах Первой мировой усилились военные действия. [1]

Теперь астрономыговорят, что наше светило становится все более ярким и жарким. Это связано стем, за последние 90 лет активность его магнитного поля увеличилась более чемвдвое, причем наибольший рост произошел за последние 30 лет. В Чикаго, наежегодной конференции Американского астрономического общества, прозвучалопредупреждение ученых о грозящих человечеству неприятностях. Как раз в тотмомент, когда компьютеры по всей планете будут приспосабливаться к условиямработы в 2000 году, наше светило вступит в наиболее бурную фазу своей 11-летнейциклической.Теперь ученые смогут безошибочно предсказывать солнечные вспышки,что даст возможность заблаговременно подготовиться к возможным сбоям в работе радио-и электросетей. Сейчас большинство солнечных обсерваторий подтвердило«штормовое предупреждение» на следующий год, т.к. пик солнечнойактивности наблюдается каждые 11 лет, а предыдущая буря наблюдалась в 1989году.[1]

Недавно несколькокосмических спутников зафиксировали выброс солнечных протуберанцев,характеризующийся необычно высоким уровнем рентгеновского излучения. Такиеявления представляют серьезную угрозу для Земли и ее жителей. Вспышка такоймощности потенциально способна дестабилизировать работу энергетических сетей. Ксчастью, поток энергии не затронул Землю и никаких ожидаемых неприятностей неслучилось. Но само по себе событие является провозвестником так называемого«солнечного максимума», сопровождающегося выбросом гораздо большегоколичества энергии, способного вывести из строя коммуникации связи и силовыелинии, трансформаторы, под угрозой будут находиться космонавты и космическиеспутники, находящиеся вне магнитного поля Земли и не защищенные атмосферойпланеты. На сегодняшний день спутников NASA на орбите больше, чем когда-либопрежде. Существует угроза и для самолетов, выражающаяся в возможностипрекращения радиосвязи, глушении радиосигналов.[1]

Александр Чижевскийеще в 20-х гг. обнаружил, что солнечная активность влияет на экстремальныеземные события – эпидемии, войны, революции…  Земля не только обращается вокругСолнца – все живое на нашей планете пульсирует в ритмах солнцедеятельности, –установил он. [1]

Солнце меняетсостояние магнитосферы и атмосферы Земли. Магнитные поля и потоки частиц,которые идут от солнечных пятен, достигают Земли и влияют прежде всего на мозг,сердечно-сосудистую и кровеносную системы человека, на ее физическое, нервное ипсихологическое состояние. Высокий уровень солнечной активности, его быстрыеизменения возбуждают человека, а поэтому и коллектив, класс, общество,особенно, когда есть общие интересы и понятная и воспринимаемая идея. [1]

Чтобы всесторонне исследоватьявления, происходящие на Солнце, проводятся систематические наблюдения Солнца (службаСолнца) на многочисленных обсерваториях всего мира. Одна из основных задачслужбы Солнца — предсказа­ние (прогноз) солнечных вспышек. Прогнозы вспышек по­зволяютсвоевременно предотвращать нарушения радиосвязи, а также принимать меры,необходимые для обеспечения без­опасности пребывания человека в космическомпространстве.[1]

/>

/>

A.

Б.

Рис 7. Изменение эллиптичности орбиты Земли (A) и наклона оси Земли(Б)  определяют количество получаемого Землей солнечного излучения, а следовательно определяет периоды глобального потепления и похолодания.[4]

4. Заключение.

Кроме солнечныхпятен существуют и другие интересные явления, источник которых не ясен. Этопульсации солнечной поверхности с периодом от нескольких минут и более. Этипульсации сказываются на ритмичном изменении интенсивности солнечногоизлучения, — в свечении его поверхности. Когда Солнце сжимается — светимостьувеличивается. Ученые предполагают, что ритмические пульсации Солнца лежат воснове формирования планет за счет уплотнения межзвездного газа во времяобразования Солнечной системы. Значит, эти пульсации могут отражаться впараметрах планетных орбит (как циклически, так и скачками), которые, какизвестно, тоже периодически изменяются (см. рис. 7).

Последнее можетозначать только одно — Солнечная система развивается по законам замкнутойсистемы с большим числом внутренних обратных связей, регулирующих все процессыв ней. Так солнечная активность проявляется в состоянии планет, а движениепоследних регулирует саму солнечную активность.[2]

Надо думать, чтоэто не все секреты, которые бережет от нас Солнце. Исследования продолжаются.

5. Литература.

[1] Солнце. (статьянеизвестного автора) www.gr0221.narod.ru/sun.htm

[2] Солнечные пятна. Дмитрий Солнцев.solncev-ru.chat.ru/Sun_p.htm

[3] Астрономическийсайт “Звездочет”http://www/astronomy.ru:8101/index.html

[4] Тайны будущего. Ю. В. Мизун и Ю.Г. Мизун, М.: «Мир», 1984 г.,205c.

[5]Загадкисолнечных пятен. Вадим Самокатов.  9 ноября 2001г. www.utro.ru/articles/2001110903343245361.shtml

[6]Что происходит под солнечными пятнами. Science@NASA. 7 ноября 2001 г.

pioner.smr.ru/distance/sunspots.html